【正文】 類問(wèn)題是電子整流器目前急需解決的問(wèn)題。 另一個(gè)需要考慮的問(wèn)題是效率問(wèn)題，當(dāng)今世界能源已經(jīng)是越來(lái)越被關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題，因此有必要開(kāi)發(fā)更高效率的整流器。 整流器監(jiān)測(cè)儀發(fā)展現(xiàn)狀 在直流系統(tǒng)中，整流器 (有時(shí)也稱充電機(jī) )是整個(gè)直流系統(tǒng)的核心，它的性能變化直接影響相應(yīng)蓄電池組的壽命及整套直流系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因此，電力部門(mén)每年都要對(duì)整流器進(jìn)行例行檢查，以便及早發(fā)現(xiàn)整流器缺陷，特別是檢查整流器的穩(wěn)壓性能、穩(wěn)流性能、紋波系數(shù)等。目前各電力部門(mén)普通采用外接可變電阻法進(jìn)行人工測(cè)試，這種方式費(fèi)工、費(fèi)時(shí) 、安全性差。 本課題的主要研究?jī)?nèi)容及意義 考慮到目前市場(chǎng)上的監(jiān)測(cè)儀器現(xiàn)狀，有必要開(kāi)發(fā)一款 可對(duì)整流器自動(dòng)進(jìn)行穩(wěn)壓性能，穩(wěn)流性能及紋波系數(shù)的測(cè)試，自動(dòng)計(jì)算整流器的穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、紋波系數(shù)等，并把測(cè)試記錄的整組數(shù)據(jù)包括穩(wěn)壓性能測(cè)試數(shù)據(jù)。穩(wěn)流測(cè)試數(shù) 5 據(jù)自動(dòng)記錄下來(lái)，可把數(shù)據(jù)傳送給 上位機(jī) 記錄下來(lái)，由計(jì)算機(jī)把整個(gè)穩(wěn)壓狀態(tài)下測(cè)試的數(shù)據(jù)和穩(wěn)流狀態(tài)下測(cè)試的數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)并顯示。 本次設(shè)計(jì)著眼于解決這方面的問(wèn)題。 2 系統(tǒng)方案 本次設(shè)計(jì)采用上位機(jī)和下位機(jī)分離的方式進(jìn)行檢測(cè)，用 RS232 口連接上位機(jī)和下位機(jī)。 下位是以 8 位單片機(jī)為微控制器，采樣整流器輸入輸出端電壓電流的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)整流器的參數(shù)檢測(cè)，并將參數(shù)通過(guò) RS232 發(fā)送給上位機(jī)處理。 控制器方案選擇 目前市場(chǎng)上可供選擇的微控制器零零總總，各家公司的產(chǎn)品都有其自身特點(diǎn)。 目前比較流行 51系列單片機(jī)和凌陽(yáng)單片機(jī)。 AT89C51 單片機(jī)需要用仿真器來(lái)實(shí)現(xiàn)軟硬件的調(diào)試，較為繁瑣； AT89S52 八位單片機(jī)除具有 AT89C51 單片機(jī)所有的優(yōu)點(diǎn)外，具有更大的程序存儲(chǔ)空間，可在線仿真的功能，方便調(diào)試。凌陽(yáng)十六位單片機(jī)雖然可以更好的完成控制功能，但較 AT89S52 八位單片機(jī)價(jià)格昂貴，而且編程以及外圍功能電路的設(shè)計(jì)都不及 AT89S52 成熟。因此，選用 AT89S52八位單片機(jī)作為 本次設(shè)計(jì)的微控制器 。 電源方案選擇 方案一、采用電池供電，此方案簡(jiǎn)單，需要的器件比較少，并可以有效防止來(lái)自電網(wǎng)的干擾。缺點(diǎn)是電池屬于易耗品，需要經(jīng)常更換，對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)不方便，且容易污染環(huán)境。 方案二、從電網(wǎng)直接取電，用傳統(tǒng)的變壓器加穩(wěn)壓器的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供電，此方法投資比方案一高，但是系統(tǒng)工作可靠，維護(hù)方便環(huán)保，缺點(diǎn)是容易受到干擾。 方案三、采用外接開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的方法給系統(tǒng)供電，此 方法性價(jià)比比較高，并且安全系數(shù)比較高。并且可以隔離被測(cè)量，減少測(cè)試過(guò)程中的干擾因素。 綜上所述，考慮到整流器的監(jiān)測(cè)需要，本次設(shè)計(jì)采用方案三。 顯示器方案選擇 方案一、用液晶顯示器，此方案優(yōu)點(diǎn)是顯示參數(shù)豐富，同一時(shí)刻可以同時(shí)顯 6 示電壓和電流等信息，缺點(diǎn)是價(jià)格較高，并且由于液晶的特點(diǎn)，顯示內(nèi)容需要近距離觀察。 方案二、用數(shù)碼管作為顯示設(shè)備，優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，僅為液晶顯示器的 1/4左右并且顯示的亮度很高，適合遠(yuǎn)距離觀察。缺點(diǎn)是顯示內(nèi)容有限。 考慮到整流器監(jiān)測(cè)儀的實(shí)際需要，決定采用方案二的數(shù)碼管方案。 監(jiān)測(cè)部分方案選擇 方案一：采用 美國(guó) Cirrus Logic 公司最新推出的帶有串行接口的 電壓、電流采集 集成電路芯片 CS5460A。它 主要應(yīng)用在 電力電子數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用 中。不同于以前流行的 CS5460 芯片，該芯片特有的自動(dòng)引腳模式功能，能使芯片獨(dú)立工作，得電時(shí)自動(dòng)初始化，由外部的 E2PROM 引導(dǎo)開(kāi)始工作，并從中讀取數(shù)據(jù)，如果用于高容量或用在家庭，為了降低成本，此模式下，該型芯片可以不用微控制器獨(dú)立工作。除此之外，該芯片的性能優(yōu)于其他計(jì)量芯片，主要表現(xiàn)在： (1)轉(zhuǎn)換精度高，測(cè)量功能強(qiáng) 自身轉(zhuǎn)換精 度達(dá)到 0． 1 級(jí)，可以實(shí)現(xiàn) 0． 2 級(jí)的測(cè)量?jī)x表?？蓽y(cè)量瞬時(shí)電流、瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)功率、電流有效值、電壓有效值、功率有效值和電能計(jì)量，這在電力系統(tǒng)的測(cè)量芯片中是不多見(jiàn)的。 (2)外圍器件少，具有片內(nèi)看門(mén)狗定時(shí)器 (WatchDog Timer)與內(nèi)部電源監(jiān)視器該芯片只用很少的外圍器件即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換功能，確保了儀表的轉(zhuǎn)換精度及穩(wěn)定性。 (3)接口方便 器件本身形成雙向串行接口，雙向串行接口與內(nèi)部寄存器陣列可以方便地與微處理器相連接，并有功能很強(qiáng)的內(nèi)部寄存器數(shù)組，僅用 5～ 6根連線即可方便 地與單片機(jī)接口 。 方案二、采用電壓互感器，電流互感器方案，該方案監(jiān)測(cè)精度不及方案一高，造價(jià)和外圍電路跟方案一相比并無(wú)特別的優(yōu)勢(shì)。 基于以上對(duì)比，本次設(shè)計(jì)選用方案二。 系統(tǒng)方案整體描述 本次設(shè)計(jì)采用 ATMEL 公司的 8 位單片機(jī) AT89S52 作為系統(tǒng)的微控制器，配合 美國(guó) Cirrus Logic 公司最新推出的帶有串行接口的 電壓、電流采集 集成電路 7 芯片 CS5460A。參數(shù)采集完畢之后微控制器將采集到的參數(shù)處理后顯示在數(shù)碼管上，并通過(guò) RS232 電平轉(zhuǎn)換接口電路發(fā)送給上位機(jī)處理。 3 電子整流器監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖 。 圖 系統(tǒng)框圖 微控制器部分電路 方案采用 AT89S52 單片機(jī)作為控制器，完成所有的控制功能，包括： ? 電壓電流計(jì)量芯片的初始化和數(shù)據(jù)讀取 ? 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)顯示 ? 報(bào)警模塊驅(qū)動(dòng) ? 和 PC 機(jī)的串口通信 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)系統(tǒng)的電路如圖 31。 時(shí)鐘是時(shí)序的基礎(chǔ)， 8051 片內(nèi)由一個(gè)反向放大器構(gòu)成振蕩器門(mén)可以由它產(chǎn)生時(shí)鐘，本次設(shè)計(jì)內(nèi)部方式在 XTAL1 和 XTAL2上外接石英晶體做定時(shí)元件，內(nèi)部反 向放大震蕩，產(chǎn)生時(shí)鐘。時(shí)鐘發(fā)生器對(duì)振蕩單片機(jī)系統(tǒng) 電源模塊 電壓電流采集 數(shù)碼管顯示模塊 RS232 通信模塊 時(shí)鐘、復(fù)位 報(bào)警 模塊 程序控制 8 脈沖二分頻，即石英頻率 fosc＝ 6MHz，則視頻頻率＝ 3Mhz，因此時(shí)鐘是一個(gè)雙向信號(hào)，由 P1 相和 P2 相構(gòu)成。 Fosc 可在 ～ 12MHz 之間選擇，本次設(shè)計(jì)采用常規(guī)的 。 單片的復(fù)位電路有上電自復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位 2 種，本次設(shè)計(jì)將這 2 種復(fù)位方式都加入了，具體見(jiàn)圖 。 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)的 串行接口 串行通信僅與在物理上的 2 個(gè)數(shù)據(jù)緩沖器 SBUF 打交道：發(fā)送器和接收器。 2個(gè)特殊功能寄存器： SCON ， PCON。 MCS 51 片內(nèi)有一個(gè)全雙工串行接口通用的可編程的異步接收 /發(fā)送器 USART （ Universal Synchronous A synchronous Receiver Transmitter），由接收器和發(fā)送器 2 部分組成。發(fā)送器能接收與寄存由 CPU 并行輸出的數(shù)據(jù)，通過(guò)移位寄存器變?yōu)榇校⑻砩弦粋€(gè)起始位、奇偶校驗(yàn)位和規(guī)定的停止位，由一條數(shù)據(jù)線發(fā)送出去。接收器是把收到的數(shù)據(jù)，去掉起始位、停止位，檢查有無(wú)奇偶錯(cuò)誤、幀錯(cuò)誤。然后把接收 的字符經(jīng)過(guò)移位寄存器變?yōu)椴⑿泻?，送至接收?shù)據(jù)寄存器、以便由 CPU 用輸入指令取字符。 串行口控制寄存器 SCON 包含串行口的方式選擇位、接收發(fā)送控制位及串行 口的狀態(tài)標(biāo)志位。格式、功能如圖所示。 9 圖 串行口控制寄存器 串行口工作方式如表 1 所示。 表 串行口工作方式 RI：接收中斷標(biāo)志，由硬件置位，軟件清 0。 T I： 發(fā)送中斷標(biāo)志，由硬件置位，軟件清 0。 RB8： 接收數(shù)據(jù)位 8，方式 2 或 3 中第 9 位數(shù)據(jù)可能是奇偶位或是地址 /數(shù)據(jù)校驗(yàn) 位。 TB8： 發(fā)送數(shù)據(jù)位 8，方式 2 或 3 中第 9 位 數(shù)據(jù)，在單機(jī)通信中是奇偶位，多機(jī)通 信中是地址幀 /數(shù)據(jù)幀。 REN： 接收允許位 , 由軟件置位允許，清 0 禁止接收。 SM2： 方式 2， 3 中多機(jī)通信控制位。 AT89S52芯片 功能特性描述 AT89S52 引腳框圖： 10 圖 AT89S52芯片引腳圖 AT89S52 主要性能： 與 MCS51 單片機(jī)產(chǎn)品兼容 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器 1000 次擦寫(xiě)周期 全靜態(tài)操作： 0Hz～ 33Hz 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 32 個(gè)可編程 I/O 口線 三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 八個(gè)中斷源 全雙工 UART 串行通道 低功耗空閑和掉電模式 l 掉電后中斷可喚醒 l 看門(mén)狗定時(shí)器 1雙數(shù)據(jù)指針 l 掉電標(biāo)識(shí)符 方框圖： 11 圖 AT89S52內(nèi)部框圖 功能特性描述： AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)程器。在單芯片上，擁有 靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門(mén)狗定時(shí)器， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被 保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為 12 止。 VCC : 電源 GND: 地 P0 口 ： P0 口是一個(gè) 8 位漏極開(kāi)路的雙向 I/O 口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì) P0 端口寫(xiě)“ 1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P0 口也被作為低 8 位地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下， P0具有內(nèi)部上拉電阻。在 flash 編程時(shí)， P0 口也用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。 P1 口 ： P1 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， p1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì) P1 端口寫(xiě)“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。此外， 和 分別作定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸（ ）和時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入（ ），具體如下表所示。在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口接收低 8 位地址字節(jié)。 表 P1口的第二功能 P2 口 ： P2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì) P2 端口寫(xiě)“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或用 16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行 MOVX @DPTR）時(shí)， P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送 1。在使用 8 位地址（如 MOVX @RI）訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P2 口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容。在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)， P2 口也接收高 8 位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。 13 P3 口 ： P3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上 拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， p2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì) P3 端口寫(xiě)“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。 P3 口亦作為 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)， P3 口也接收一些控制信號(hào)。 表 P3口的第二功能 RST: 復(fù)位輸入。晶振工作時(shí)， RST 腳持續(xù) 2 個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位?？撮T(mén)狗計(jì)時(shí)完成后， RST 腳輸出 96 個(gè)晶振周期的高電平。特 殊寄存器AUXR(地址 8EH)上的 DISRTO 位可以使此功能無(wú)效。 DISRTO 默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。 ALE/PROG： 地址鎖存控制信號(hào)（ ALE）是訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低 8 位地址的輸出脈沖。在 flash 編程時(shí)，此引腳（ PROG）也用作編程輸入脈沖。 在一般情況下， ALE 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來(lái)作為外部定時(shí)器或時(shí)鐘使用。然而，特別強(qiáng)調(diào)，在每次訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE脈沖將會(huì)跳過(guò)。如果需要，通過(guò)將地址為 8EH 的 SFR 的第 0 位置 “ 1” ， ALE操作將無(wú)效。這一位置 “ 1” ， ALE 僅在執(zhí)行 MOVX 或 MOVC 指令時(shí)有效。否則， ALE 將被微弱拉高。這個(gè) ALE 使能標(biāo)志位（地址為 8EH 的